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中国掘进机接近世界最先进水平但主轴承全部靠进口

来源:科技日报作者:矫阳 日期:2018-06-07 11:25

   主轴承,有全断面隧道掘进机(简称掘进机)的“心脏”之称,承担着掘进机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件,工作所处状况十分恶劣。

 
  掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果,运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向,是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备,长度由几十米到200多米,总重量可达几百吨至5000多吨,是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等。
 
  “就整机制造能力而言,国产掘进机已接近世界最先进水平,但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉科技日报记者。
 
  承受巨大载荷和强烈温升
 
  掘进机主轴承工作环境非常恶劣,要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。
 
  “掘进机工作的地质具有未知和突变的特点,加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷,使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。
 
  以直径15米掘进机为例,整机重4500吨,主轴承所在主机重2800吨,轴承连接的前部刀盘就达520吨;掘进机动力来自28组千斤顶,最大推力达22500吨,掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这样大的推力,掘进机需配备7米大直径的主轴承,滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说。
 
  在地下密闭的工作空间,主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热,温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。
 
  “巨大载荷和强烈的温升,不仅极大地降低了轴承材料的刚度,也使其强度大幅退化。”李云峰认为,这种工况,对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。
 
  因技术含量高,单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右,是掘进机所有零件中最值钱的。
 
  “在既定施工段,若掘进机主轴承出现故障,进行现场维修或更换极为困难,甚至不可行。”梅勇兵说,这要求主轴承不能出任何故障,掘进机制造商宁愿出高价,选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。
 
  据介绍,我国掘进机年生产规模约为450台,仅进口轴承一项即达近10亿元。
 
  尺寸巨大结构最复杂
 
  与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比,掘进机主轴承直径一般为几米,是结构最复杂的一种轴承,制造需要上百道工序,主要由套圈、滚子和保持架3部分组成。
 
  “掘进机主轴承尺寸庞大,在安装方式上迥异于传统滚动轴承,必须采用螺栓与主机联接的方式,这样就需要安装孔。”李云峰说,安装传统应用领域的轴承,一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式,孔的数量通常是个位数。
 
  以直径6.34米掘进机配套主轴承为例,其直径3米,有20个安装孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔,整套轴承零件总数达到600多个。
 
  “这么多的孔,使设计和加工过程如趟雷区,务必时刻保持高度小心,避免相互干涉。”李云峰说,如果因设计人员有一丁点疏忽,在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误,依图加工后都会造成大量废品。
 
  除规模庞大的孔外,因尺寸原因,掘进机主轴承的截面与节圆的直径比,远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件,在重载条件下,难以避免套圈的结构变形,这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说。
 
  国外现代掘进机实践已近百年,除原材料的强度远超国产外,在设计和工艺上更具超强的实力。“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据,还是工程实测数据,都非常完善,为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云峰说。
 
  当前,世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家,分别是德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF,其中,罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额。
 
  据悉,罗特艾德公司制造的主轴承技术和工艺水平最高,其生产的主轴承直径已突破7米多,装配于多台14米直径的掘进机,掘进隧道长度累计已超过50公里。
 
  随着隧道建造技术的发展,隧洞设计的里程和直径也越来越大,往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上,轴承直径6米以上,从而进一步加大了掘进机主轴承的技术研发难题。“直径若超过8米,轴承结构就需要分块设计了。”李云峰说。
 
  掌握直径3米核心技术
 
  除受材料因素制约外,在设计和工艺上,国产掘进机主轴承与国外产品都存在很大差距。
 
  “国内现有的滚动轴承理论,是基于刚性套圈假设,不适于分析掘进机主轴承的内部受力状况。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说,我国掘进机制造历史仅十余年,所有数据都非常匮乏,设计计算只能输入估算的载荷,如此设计的轴承难以匹配实际的工况。
 
  王景华还介绍说,国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配,在设计时,将轴承视为主机的组成部分,二者协同进行。
 
  反观国内,轴承与主机的设计则“各自为政”,相互独立。“相互不熟悉,主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。”李云峰说,要适应主机环境的力学行为,需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台,国外轴承设计的合理性,是通过大量实验验证的,并积累了大量工程数据,这些方面在我国几乎全是空白。
 
  说到掘进机主轴承的制造工艺,李云峰罗列出包括机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等因素。“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火,而国内还没有这样的工艺。”李云峰说,经无软带表面淬火处理,主轴承的滚道表面会全部硬化。如此,因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患,都将彻底消除。
 
  掘进机主轴承国产化曙光正在初现。
 
  “我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作,率先开展了掘进机主轴承的研究工作。”王景华透露,作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构,覆盖基础及应用研究,拥有盾构及掘进技术(轴承)国家重点实验室,洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐,目前已掌握直径3米的主轴承核心技术,实验寿命等同国外同类产品,力争2018年装机试用。
 
  来源:科技日报

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